Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Основы технологии материалов микроэлектроники. Учебно-методическое пособие

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 103 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Преимуществом зонной кристаллизации является то, что очищенные и загрязненные примесью участки пространственно разделены, и при повторном прохождении зоны происходит дальнейшая очистка начального участка слитка. Поскольку при втором и последующих проходах зоны концентрация примеси в расплаве пока он находится в начальных частях слитка, становится все меньше, то горизонтальный участок кривой, начало которого соответствует концентрации: С0/K в зоне, все более сдвигается вправо. Однако когда при втором проходе фронт зоны достигнет области направленной кристаллизации, происходит резкое обогащение расплава примесью и соответственно повышение ее концентрации в затвердевающих слоях. Таким образом, концентрирование примесей во время повторных проходов у конца слитка возрастает, но захватывает все большую часть слитка. Каждый новый проход зоны понижает концентрацию примеси в начальных участках и повышает протяженность загрязненной части слитка.

2.3. Методы получения

однородно легированных слитков

Для получения монокристаллов с равномерной и постоянной концентрацией легирующей примеси по длине слитка можно использовать принцип подпитки легированного расплава нелегированным расплавом того же вещества. Было предложено несколько различных способов подпитки расплава. Рассмотрим один из них.

На рис. 11 представлена схема метода получения однородно легированных монокристаллов с подпиткой расплава. А на рис. 12 изображен тигель для капиллярной подпитки легированного расплава.

Для поддержания постоянной концентрации легирующей примеси в расплаве при непрерывном выращивании монокристалла применяется двойной тигель в виде сообщающихся сосудов. Во внутренний тигель помещается материал с примесью, а во внешний – нелегированный материал. По мере вытягивания кристалла из внутреннего тигля происходит подпитка чистым расплавом из внешнего тигля, что позволяет компенсировать обогащение расплава оттеснением примеси от растущего кристалла.

Рис. 11. Схемы метода получения однородно легированных монокристаллов с подпиткой расплава – метод подпитки расплава в тигле с жестко защемленными сообщающими сосудами

Рис. 12. Тигель для капиллярной подпитки легированного рас плава

21эфф

d d K

эфф

vl

(7)

Путем подбора диаметров внутреннего и внешнего тиглей можно найти условия точной компенсации:

где

– эффективный коэффициент распределения примеси;

– соответственно диаметры внешнего и внутреннего тиглей.

Размеры отверстия, обеспечивающего сообщение между тиглями, должны быть рассчитаны так, чтобы можно было пренебречь диффузией примесей из внутреннего во внешний тигель. Обозначим через d диаметр отверстия, через l его высоту. Если через vж обозначить скорость течения расплава, через vкр – скорость роста кристалла, через S – поперечное сечение кристалла и через D – коэффициент диффузии примеси в расплаве, то искомое условие будет следующим:

, (7)

. (8)

Регулировать состав расплава можно также путем его взаимодействия с паровой фазой (рис. 13).

Если создать в объеме, окружающем систему расплав – растущий кристалл, паровую фазу, образованную атомами или молекулами легирующей примеси или одного из компонентов кристалла, то ее состав будет в равновесии с составом расплава. Процесс сегрегации, меняя состав расплава, вызовет обмен летучими компонентами между расплавом и паровой фазой. Летучий компонент поступает в расплав и уходит из него через всю его свободную поверхность. Следует особо подчеркнуть, что перераспределение летучих компонентов между расплавом и свободным пространством над ним всегда имеет место, но кинетика обмена зависит, с одной стороны, от парциального давления летучего компонента, а с другой – от степени разряженности свободного пространства. Если свободное пространство заполнено инертным газом под давлением в несколько атмосфер, то скорость испарения летучего компонента сильно снижается.

Если установка, где производится выращивание кристалла, имеет водоохлаждаемые стены, то пары летучего компонента будут на них конденсироваться и его парциальное давление будет исчезающе малым. В этих условиях примесь непрерывно испаряется из расплава. Скорость испарения примеси, зависит от величины давления инертного газа. Путем подбора величины давления инертного газа можно подобрать такую скорость испарения примеси, при которой испарение будет компенсировать распределение примеси при росте кристалла с данной постоянной скоростью vкр. Так как испарение примеси происходит со свободной поверхности расплава, то в расплаве устанавливается некоторый градиент концентрации примеси. Например, если

Рис. 13. Схемы метода получения однородно легированных монокристаллов с подпиткой расплава – подпитка расплава из вой фазы в методе Чохральского

выращивание кристалла осуществляется методом Чохральского, то концентрация примеси в растущем кристалле будет убывать от центра кристалла к его периферии.

Контрольные вопросы

1. Что называется равновесным коэффициентом распределения?

Какими физико-химическими параметрами определяется распределение примеси между твердой и жидкой фазами?

2. Как влияет температура плавления примеси на величину коэф-

фициента распределения?

3. Каким образом можно увеличить эффективность процесса очи-

стки?

4. Каким соотношением связаны эффективный и равновесный ко-

эффициенты распределения?

5. Как выглядит профиль распределения примеси после одного

прохода расплавленной зоны?

6. Какие существуют методы получения однородно легированных

слитков?

3. ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ ИЗ РАСТВОРОВ

Выращивание монокристаллов из растворов-расплавов может осу-

ществляться следующими методами:

1) испарением избыточного, наиболее летучего компонента из рас-

твора при соответствующем градиенте температур;

2) повышением концентрации летучего компонента в растворе при

соответствующем градиенте температур путем постоянного изменения давления паров, создаваемого за счет независимого источника;

3) направленной кристаллизацией пересыщенного раствора;

4) градиентной зонной плавкой.

3.1. Метод испарения летучего растворителя

Расположим тигель с раствором-расплавом нелетучего компонента А в летучем растворителе B в герметичной ампуле, и создадим по высоте этой ампулы распределение температур (рис. 14). Будем поддерживать

постоянным температуры Т1, Т2 и градиент температур Т по высоте тигля, содержащего раствор. Начальная температура Т3 в нижней части ампулы соответствует условию, что при этой температуре давление пара чистого компонента В равно давлению его паров над поверхностью раствора, находящейся при температуре Т1. Если медленно понижать температуру Т3, то начнется конденсация паров компонента B в нижней части ампулы, а концентрация его в растворе начнет понижаться. Испарение компонента В создает в жидкой фазе пересыщение, которое приводит к появлению зародышей кристалла. по мере испарения компонента В (за счет понижения температуры Т3) состав раствора все время изменяется и область пересыщения постепенно перемещается от дна к поверхности тигля и сопровождается ростом кристалла. Скорость роста кристалла зависит от скорости изменения состава раствора, т.е. от скорости испарения. Выращивание кристаллов

а б

Рис. 14. Тигель с раствором нелетучего

компонента А в летучем растворителе В (а) и распределение температур (б)

этим методом требует совершенной стабилизации и регулирования температур. Отсутствие механических перемещений является существенным преимуществом этого метода.

3.2. Метод повышения концентрации летучего компонента в растворе

Этот метод насыщения является обратным методу испарения и проводится в ампуле с таким же распределением температур. Только в тигель загружается чистый нелетучий компонент А, а на дне ампулы располагается чистый летучий компонент В. После установления температур Т1, Т2 и заданного градиента температур Т по высоте расплава начинают повышать температуру Т3 и создавать в ампуле постепенно повышающееся давление паров компонента В. При этом происходит растворение компонента В в расплаве компонента А; состав образующегося раствора постепенно изменяется от чистого А до раствора состава I. При этом составе часть раствора, находящаяся на дне тигля, при температуре Т2 может быть в равновесии с кристаллом

состава АВ растворе создает в этой области пересыщение и приводит к кристаллизации АВ

Метод насыщения отличается от метода испарения тем, что в одном случае получаем кристалл предельного состава АВ гом – состава АВ

границы области существования многих соединений и облегчает определение природы дефектов, обусловливающих отклонение от стехиометрии (так как достигаются максимально возможные отклонения от стехиометрии при данной температуре процесса).

Большим преимуществом этого метода является то, что при равномерном нагреве поверхности происходит равномерное растворение подложки компонента АВ в расплаве А, причем осуществляется очистка и сглаживание поверхности роста.

. Дальнейшее повышение концентрации компонента B в

(1–)

. Сочетание двух методов позволяет установить

(1+)

, а в дру-

3.3. Направленная кристаллизация

Печь III

Печь II

Печь I

пересыщенных растворов-расплавов

Поместим в длинную кварцевую ампулу лодочку, содержащую чистый нелетучий компонент А, и лодочку, содержащую чистый летучий компонент В. После откачки (получения вакуума) и запайки ампула помещается в трехзонную печь (рис. 15). Печь I, нагретая до температуры Т1, служит для создания заданного давления паров над раствором, насыщенным летучим компонентом В при температуре Т2. Печь III, нагретая до температуры T3 (Т1 < Т3 < Т2), используется для осуществления направленной кристаллизации раствора-расплава при механическом перемещении лодочки через зону температурного градиента Т2 – Т3.

Рис. 15. Выращивание кристаллов соединениями АВ методом

направленной кристаллизации раствора-расплава

При этом методе требования к стабилизации температур такие же, как и в ранее описанных, но малая скорость кристаллизации должна обеспечиваться механическим перемещением ампулы. Ввиду малой скорости кристаллизации, обусловленной скоростью диффузии летучего компонента со сравнительно невысокой концентрацией в растворе к поверхности раздела растущего кристалла, даже незначительные колебания скорости перемещения ампулы могут полностью нарушить гладкость фронта кристаллизации. Поэтому для осуществления этого метода рекомендуется использовать прецизионные гидроприводы.

3.4. Метод градиентной зонной плавки

Метод градиентной зонной плавки применяют для перекристаллизации заранее синтезированных поликристаллических слитков в монокристаллы и как метод изготовления эпитаксиальных слоев, легированных примесью. Предположим, что требуется нарастить на монокристаллическую подложку арсенида галлия n-типа слой арсенида галлия p-типа. Расположим на подставке монокристаллическую пластину GaAs n-типа, покрытую тонким слоем галлия, легированного акцепторной примесью, и покроем ее сверху второй пластиной арсенида галлия. Выведем печи на рабочий режим. Между верхней поверхностью нижней пластины и нижней поверхностью верхней пластины установится небольшой температурный градиент Т. Во время нагрева обе пластины будут постепенно растворяться, и при достижении температуры Т1 между ними образуется перенасыщенный раствор. В результате включения нагрева температура нижней пластины достигает значения Т2, а температура верхней пластины – значения Т3, причем Т3 > Т2. По высоте раствора устанавливается градиент температуры и концентрации. В результате диффузии растворенного компонента верхний слой обедняется компонентом В, а нижний слой раствора обогащается этим компонентом. Это приводит к постоянному растворению верхней пластины и росту нижней.

При выращивании эпитаксиальных пленок недостатком метода является то, что все посторонние примеси, присутствовавшие на поверхностях пластин, переходят в раствор и внедряются в растущий кристалл. Преимуществом метода считается то, что легко можно получить плоскопараллельную конфигурацию, которая при равномерной температуре нагрева обеспечивает рост пленки равномерной толщины.

Контрольные вопросы

1. Какие существуют методы выращивания кристаллов из растворов?

2. Каковы особенности метода испарения летучего растворителя?

3. В каких случаях применяется метод повышения концентрации

летучего компонента в растворе?

4. В каких случаях применяется кристаллизация пересыщенных

растворов-расплавов?

5. В чем заключаются особенности метода градиентной зонной

плавки?

4. ВЫРАЩИВАНИЕ МОНОКРИСТАЛЛОВ ИЗ ПАРОВОЙ ФАЗЫ

Все методы выращивания монокристаллов из паровой фазы можно

разделить на три большие группы, отличающиеся методом доставки атомов от источника к растущему кристаллу.

1. Состав растущего кристалла практически идентичен составу источника, а паровая фаза состоит только из атомов или молекул, образующих источник и кристалл; процесс состоит из возгонки или испарения с последующей конденсацией паров.

2. Источник состоит из газообразных молекул сложного состава, содержащих атомы кристаллизующегося вещества. Кристалл заданного состава образуется в результате химической реакции, происходящей на его поверхности (или вблизи нее) и приводящей к выделению атомов кристаллизующегося вещества: методы диссоциации или восстановления газообразных химических соединений.

3. Состав паровой фазы отличен от состава кристалла и состава источника; паровая фаза состоит из молекул, образованных атомами вещества источника и атомами посторонних химических элементов, не входящих в состав кристалла. Выделение атомов кристаллизующегося вещества происходит в результате реакции диспропорционирования или диссоциации газообразных молекул: метод реакций переноса (газотранспортных реакций).

4.1. Метод конденсации паров компонентов

Выращивание кристаллов из паровой фазы, образованных атомами

или молекулами компонентов, производится преимущественно в замкнутых эвакуированных контейнерах или в вакуумных камерах. Процесс сводится к созданию потока паров, испускаемых источником, нагретым до выбранной температуры возгонки или испарения; пары, пройдя некоторый путь, конденсируются на подложке, и реальное давление паров над поверхностью источника описывается выражением

P = 0PS, (9)

где PS – давление насыщенных паров при температуре Т

; 0 – коэф-

ист

фициент аккомодации, представляющий собой отношение числа испарившихся атомов, которые реконденсировались на поверхности испарения к числу атомов, столкнувшихся с ней (0 < 1).

Скорость испарения с поверхности практически не зависит от давления над ней и определяется ее температурой. Однако часть испарившихся частиц претерпевает соударения с молекулами пара и возвращается на исходную поверхность.

При проведении процессов в непрерывно откачиваемых вакуумных камерах наименее контролируемым и наименее изученным является влияние всегда присутствующих остаточных газов и паров. При давлении остаточных газов в рабочей камере 10–6–10

–4

мм рт. ст. число газовых молекул, бомбардирующих поверхность роста, часто сравнимо с числом атомов конденсируемого пара (1014–1015 атомов/см2  с). Остаточные газы, способные хемосорбировать на поверхности роста и входить в решетку кристалла, безусловно оказывают вредное влияние на скорость роста, совершенство и свойства растущего кристалла. Влияние же инертных газов, по-видимому, незначительно, а в отдельных случаях может быть даже благотворным. Выращивание кристаллов методом конденсации паров обычно проводится в тщательно отгазированных герметичных системах, в которых остаточное давление химически активных газов (азот, кислород, водород, углеводороды) не должно превышать 10–8–10 инертных газов порядка 10

–10

мм рт. ст, тогда как остаточное давление

–6

мм рт. ст. может считаться вполне прием-

лемым.

Процессы кристаллизации из паровых пучков принято характери-

зовать коэффициентом конденсации a. Коэффициент конденсации определяется как отношение числа атомов, встроившихся в решетку, к числу атомов, достигших поверхности конденсации. Процесс конденсации можно разбить на три стадии:

1) первое соударение атомов пара с подложкой, при котором рас-

сеивается большая часть их кинетической энергии;

2) адсорбция атома;

3) перемещение атомов по поверхности, приводящее либо к

встраиванию атома в кристалл, либо к его повторному испарению.

Поэтому величина коэффициента конденсации определяется скоростью рассеяния энергии атома (которая зависит от температуры подложки, от присутствия на ней монослоя «холодных» атомов инертного газа), теплотой адсорбции подложки (влияние чистоты поверхности подложки) и микрорельефом поверхности (плотность мест закрепления атомов в решетку).

<<< < Предыдущая 1 23 / 103 4 5 6 7 8 9 10 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]